Cisaillage de tôles sur cisaille guillotine

L'action de cisailler (couper avec des cisailles) est appelé cisaillement ou plus communément "cisaillage". Il existe plusieurs méthodes classiques de cisaillage :

• Cisaillage avec lames parallèles (les coupes obtenues sont généralement exemptes de défaut mais nécessitent un effort de coupe très important)
  
• Cisaillage avec lames obliques (Les déformations des flans cisaillés sont fonction du compromis au niveau du réglage, de l'angle et du jeu entre lames et de la profondeur de coupe). Les cisailles utilisant cette méthode sont appelées cisailles guillotines
  
• Cisaillage avec lames circulaires (les lames sont rotatives et motrices, leurs axes peuvent être parallèles ou inclinées par rapport au plan de coupe)

Dans ce qui suit seul le cisaillage avec lames obliques (le plus communément rencontré) est traité.
 

Principes du cisaillage

L'expression "cisaillage avec lames obliques" provient de la façon avec laquelle les tranchants des lames se rencontrent progressivement, exactement comme les lames d'une paire de ciseaux.

L'angle formé par les deux lames est appelé : angle de coupe (alpha)

La distance à laquelle se situent les deux lames est appelée : jeu entre lames (J)

Phase 1 : déformation jusqu'à la zone de rupture

Lorsque la lame pénètre la tôle, celle ci est déformée plastiquement dans la zone de coupe jusqu'à la limite de résistance au cisaillement (Cf. schéma ci dessous).

Cette phase nécessite la connaissance de l'effort de cisaillage qui varie en fonction : de l'épaisseur de la tôle (e), des caractéristiques de la tôle, notamment de sa résistance au cisaillement (Rc), généralement 0.8 fois la résistance à la rupture du matériau, toutefois de manière à conserver une marge de sécurité les calculs sont déterminés par rapport à la résistance à la rupture, et de l'angle de coupe (alpha) . L'effort de coupe (F) est donné par la relation suivante :

On s'aperçoit que la force évolue inversement proportionnellement à la tangente de l'angle de coupe, et par conséquent inversement proportionnellement à la puissance machine. En règle générale l'angle de coupe varie entre 0 et 3°.

Toutefois il est également important de connaitre la ductilité des matériaux à cisailler, ainsi les matériaux ductiles subissent une déformation relativement importante jusqu'au point de rupture, alors que les matériaux plus fragiles subissent une déformation moins importante. Aussi les déformations plastiques seront fonction du taux de pénétration des lames (dureté du matériau) et du jeu entre lames.

Phase 2 : amorce de rupture

Des fissures ou fractures apparaissent dans la zone de sollicitation maximale. Elles précèdent les arêtes de coupe et effectuent la séparation de la tôle selon deux amorces (Cf. schéma ci dessous).

Toutefois il convient de régler la machine de telle sorte à avoir un jeu entre lames idéal (Cf. schémas ci après), en effet :

• avec un jeu entre lames correct les 2 fractures se rencontrent, on obtient alors une coupe nette
  
• avec un jeu entre lames trop faible les 2 fractures ne se rencontrent pas, il y a formation d'une langue qui sera recoupée au passage de la lame. Il se produit un arrachement sur le chant de la tôle cisaillée, la coupe est de mauvaise qualité et l'effort de coupe est plus important.
  
• avec un jeu entre lames trop grand, on a une déchirure, la tôle se déforme et la coupe présente un défaut d'équerrage, une bavure apparait, les déformations augmentent et le pliage peut se produire.

En règle générale le jeu entre lames à adopter en première approximation est de :

• 1/10 de millimètre par millimètre d'épaisseur pour les alliages d'aluminium
  
• 1/15 de millimètre par millimètre d'épaisseur pour les aciers de construction d'usage général
  
• 1/20 de millimètre par millimètre d'épaisseur pour les aciers inoxydables

En raison du jeu entre lames, la tôle a tendance à pivoter ce qui nécessite notamment son maintien par des serre-tôles, engendrant une dissymétrie au niveau de la coupe. De plus les réactions horizontales tendent à écarter les lames, c'est pourquoi il est nécessaire d'avoir une machine la plus rigide possible pour obtenir une qualité de coupe constante sur toute la longueur de coupe .La valeur de ces réactions horizontales sont de l'ordre de 20 à 25 % de l'effort de coupe En général la déformation au centre de la machine la déformation ne doit pas dépasser 1/20 de millimètre par millimètre d'épaisseur cisaillée car la force de cisaillage est concentrée là ou les lames se croisent.

Direction de poussée et angle de dépouille

Comme nous l'avons vu précédemment, un jeu entre lames est nécessaire pour obtenir une bonne qualité de coupe, néanmoins ce jeu entre lames induit un défaut d'équerrage au niveau de la coupe, c'est pourquoi il convient d'incliner l'angle de poussée de manière à minimiser ce phénomène. La valeur de cet angle varie entre 0 et 3° (Cf. schéma ci dessous).

De plus pour éviter une usure prématurée de la face de la lame supérieure il convient d'appliquer une dépouille de l'ordre de 30' d'angle usinée sur le porte lame de manière à conserver un angle d'affûtage des lames à 90° pour permettre 4 retournements.
 

Qualité du cisaillage

1 - Qualité de la surface cisaillée

Lors de l'opération de cisaillage une coupe de bonne qualité est caractérisée par les éléments suivants (Cf. schéma ci dessous) :

• Les rayons (A) doivent être les plus petits possibles. Cette déformation évolue en fonction du jeu entre lames et de la dureté du matériau comme vu précédemment.
  
• Une zone (B) dite de listel est une partie brillante dûe à l'écoulement du matériau autour des arêtes de coupe qui doit être la plus grande possible.
  
• Une zone de rupture d'aspect rugueux (C) la moins importante possible.
  
• L'équerrage du chant () qui doit se rapprocher le plus de 90°.
  
• Les zones écrouies (D) et (E) qui proviennent du marquage des lames. Ces zones doivent être les plus petites possibles.

2 - Déformation des tôles cisaillées

Nous avons vu précédement une formule succincte permettant de déterminer l'effort de coupe. Néanmoins d'autres paramètres entrent en ligne de compte pour cette détermination ainsi que pour la détermination des déformations à savoir :

• L'épaisseur du matériau.
  
• La dureté du métal (résistance)
  
• Le sens du laminage
  
• L'angle de coupe
  
• Le jeu entre lames
  
• La profondeur de coupe : bord de feuille (largeur < 30 fois l'épaisseur) ou pleine feuille (largeur > 30 fois l'épaisseur)
  
• L'affûtage des lames

Les déformations sont surtout fonction de la profondeur de coupe, ainsi lors de coupe en pleine feuille, il ne doit plus subsister de déformation (Cf. schéma ci dessous) :

Le vrillage (ø) est l'angle formé par le plan d'appui de la bande à une extrémité et le plan de la bande libre à l'autre extrémité. Le vrillage est d'autant plus important que le jeu est important, le matériau mou, l'épaisseur de la tôle grande, la profondeur de coupe petite et la longueur de tôle cisaillée grande.

Le sabre (S) est la déformation résultant des tensions internes de laminage libérées lors du cisaillage. Cette déformation varie en fonction du sens de laminage et de l'écrouissage de la surface lors de la coupe.

Le bombage (G) est une courbure dans le sens vertical dont la cause principale est dûe au pliage de la tôle sous l'action de la lame supérieure donc de l'angle de coupe. Cette flèche est néanmoins associée au vrillage et à l'effet de sabre.
 

Caractéristiques des différentes nuances de lames

Il n'existe pas de lames universelles, il convient en effet d'adopter le meilleur compromis entre résistance à l'usure et écaillage en faisant varier la matière et la dureté des lames suivant les matériaux à cisailler.

Le schéma ci après donne les correspondances pour des aciers de construction à usage général, il convient d'adopter les mêmes caractéristiques pour les alliages d'aluminium, de majorer de 50% l'épaisseur pour les aciers inoxydables et de 150% pour les aciers au manganèse.

Le tableau ci dessous donne les correspondances des différents aciers constituant les lames :

Dénomination des angles et termes particuliers

L'angle de coupe () est l'angle de coupe formé par les arêtes de coupe.

L'angle d'attaque () est l'angle formé par le chant de la lame mobile et la tôle.

L'angle de cisaillage (ß) est l'angle formé par une perpendiculaire à la tôle et une tangente au lieu géométrique de l'arête mobile.

L'angle d'affutage () est l'angle de la lame formé par les deux plans définissant l'arête de coupe.

Affranchissement : Coupe de largeur très petite (5 mm pour e = 1 - 10 à 12 mm pour e = 6, par exemple), qui permet d'avoir une face de référence sur une tôle dont les rives sont brutes de forge.

Coupe en butée arrière : Coupe qui s'effectue après une introduction de la tôle vers l'arrière de la cisaille, en contact avec la butée arrière. Le chant de référence ou d'appui est le chant avant de la coupe précédente.

Coupe au tracé : Coupe généralement unitaire. Le tracé est mis en place soit par rapport à l'ombre projetée de la lame fixe ou d'un fil.

Coupe en reprise : Coupe d'une tôle dont la longueur est supérieure à la longueur de la machine.
Nécessite un déplacement après avoir effectué la première coupe.

Coupe biaisée : Coupe de flan de forme polygonale quelconque.

Coupe en chanfrein : Coupe dont le plan du chant ne forme pas un angle de 90° avec le plan de la tôle, mais un angle de 30 à 45° (chanfrein pour soudure).

Grugeage ou encochage : Coupe réalisée par 2 coupes partielles ou exécutée sur machine adaptée : encocheuse.